A multi-hypothesis approach for range-only simultaneous localization and mapping with aerial robots

Los sistemas de Range-only SLAM (o RO-SLAM) tienen como objetivo la construcción de un mapa formado por la posición de un conjunto de sensores de distancia y la localización simultánea del robot con respecto a dicho mapa, utilizando únicamente para ello medidas de distancia. Los sensores de distancia son dispositivos capaces de medir la distancia relativa entre cada par de dispositivos. Estos sensores son especialmente interesantes para su applicación a vehículos aéreos debido a su reducido tamaño y peso. Además, estos dispositivos son capaces de operar en interiores o zonas con carencia de señal GPS y no requieren de una línea de visión directa entre cada par de dispositivos a diferencia de otros sensores como cámaras o sensores laser, permitiendo así obtener una lectura de datos continuada sin oclusiones. Sin embargo, estos sensores presentan un modelo de observación no lineal con una deficiencia de rango debido a la carencia de información de orientación relativa entre cada par de sensores. Además, cuando se incrementa la dimensionalidad del problema de 2D a 3D para su aplicación a vehículos aéreos, el número de variables ocultas del modelo aumenta haciendo el problema más costoso computacionalmente especialmente ante implementaciones multi-hipótesis. Esta tesis estudia y propone diferentes métodos que permitan la aplicación eficiente de estos sistemas RO-SLAM con vehículos terrestres o aéreos en entornos reales. Para ello se estudia la escalabilidad del sistema en relación al número de variables ocultas y el número de dispositivos a posicionar en el mapa. A diferencia de otros métodos descritos en la literatura de RO-SLAM, los algoritmos propuestos en esta tesis tienen en cuenta las correlaciones existentes entre cada par de dispositivos especialmente para la integración de medidas estÃa˛ticas entre pares de sensores del mapa. Además, esta tesis estudia el ruido y las medidas espúreas que puedan generar los sensores de distancia para mejorar la robustez de los algoritmos propuestos con técnicas de detección y filtración. También se proponen métodos de integración de medidas de otros sensores como cámaras, altímetros o GPS para refinar las estimaciones realizadas por el sistema RO-SLAM. Otros capítulos estudian y proponen técnicas para la integración de los algoritmos RO-SLAM presentados a sistemas con múltiples robots, así como el uso de técnicas de percepción activa que permitan reducir la incertidumbre del sistema ante trayectorias con carencia de trilateración entre el robot y los sensores de destancia estáticos del mapa. Todos los métodos propuestos han sido validados mediante simulaciones y experimentos con sistemas reales detallados en esta tesis. Además, todos los sistemas software implementados, así como los conjuntos de datos registrados durante la experimentación han sido publicados y documentados para su uso en la comunidad científica